Модель збудження нервової клітини

Блок 1. Резюме

Електричні явища, які відбуваються в організмах тварин та рослин, є досить цікавими для вивчення, але і досить складними, оскільки їх важко досліджувати. Ця модель дає змогу продемонструвати виникнення потенціалу спокою та потенціалу дії, а також дослідити умови, що впливають на цей процес.

Мета роботи: створити модель, яка дає змогу досліджувати потенціал спокою та потенціал дії.

Завдання роботи:

1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
2. Виготовити модель збудження нервової клітини.
3. Установити, як зміна концентрації основних іонів впливає на регенерацію потенціалу спокою та потенціалу дії.

Блок 2. Попередня інформація

Щоразу як ми вмикаємо світло, ноутбук чи електричну праску, ми навіть не замислюємося, що в цей час проходить електричний струм, і не лише лінією електропередач, а й всередині нашого організму. Кожна рослина, тварина і людина складається з величезної кількості клітин. Кожна клітина як свого роду механізм виконує певну функцію, а отже, має і певну будову. Наприклад, м’язові клітини скорочуються і забезпечують перенесення тіла або частин тіла у просторі, клітини крові еритроцити переносять по організму кисень і вуглекислий газ, а лейкоцити знищують хвороботворні бактерії. Проте в кожній клітині існує оболонка – клітинна мембрана, яка і виконує роль накопичувача зарядів.

Заряд – це кількісна характеристика, яка визначає властивості тіл взаємодіяти між собою. Існує два заряди – позитивний і негативний. Одноіменні заряди (два негативних чи два позитивних) взаємно відштовхуються один від одного, а різноіменні (негативний та позитивний), навпаки, взаємно притягаються. Різниця потенціалів зумовлює появу електричного струму (у тваринах він називається нервовим імпульсом), а зміна потенціалів на поверхні мембран забезпечує пересування нервового імпульсу по нервових клітинах.

У спокійному стані кількість позитивних натрій-іонів у позаклітинному просторі більша, ніж у клітині, а кількість позитивних калій-іонів – навпаки, більша у клітині (див. рис. 1). Але сумарно на поверхні мембрани більше накопичується позитивний заряд.

Рис. 1. Нервова клітина  (стан спокою)

Під дією будь-якого фактора (висока чи низька температура, світло, механічний дотик, хімічні речовини) клітинна мембрана стає більш проникною для натрій-іонів, і вони починають надходити всередину клітини, адже все в природі намагається дійти до рівноваги.

Чому під час збудження спочатку збільшується проникність мембрани для натрій-іонів, а потім для калій-іонів? Це пов’язано з особливістю функціонування в клітинній мембрані натрієвих та калієвих каналів. Канали – це особливі отвори в мембрані. Натрієві канали пропускають лише натрій-іон, калієві канали пропускають лише калій-іон. Відкривання цих каналів залежить від заряду на клітинній мембрані, який змінюється під дією зовнішнього фактора. Якщо позитивні натрій-іони починають переміщатися всередину клітини, то на внутрішній частині мембрани починає накопичуватися позитивний заряд, а поза клітиною залишаються іони, які несуть негативний заряд. Ця стадія називається деполяризація (див. рис 2.).

Рис. 2. Нервова клітина (стадія деполяризації)

Після стадії деполяризації наступає стадія реполяризації; тепер уже калій-іони починають виходити з клітини (див рис. 3.). І знову на поверхні клітини починає накопичуватися позитивний заряд.

Рис. 3. Нервова клітина (стадія реполяризації)

Такі зміни заряду на поверхні клітинної мембрани забезпечують виникнення і рух нервового імпульсу по нервах. Проте тваринна клітина повертається до стану спокою, і їй необхідно відновити втрачений баланс йонів. Цю роботу здійснює особливий калієво-натрієвий насос. Цей насос за рахунок енергії, яку людина чи тварина отримує з їжею, на кожні три натрій-іони, які транспортуються з клітини, в клітину запускає тільки два калій-іони. Так у навколишньому середовищі знову вміст натрій-іонів стає більшим, ніж вміст калій-іонів всередині клітини.

У стані спокою концентрація іонів поза клітиною становить 5 мМ іонів калію, 150 мМ іонів натрію, 120 мМ іонів хлору, а всередині клітини – 140 мМ іонів калію, 15 мМ іонів натрію, 10 мМ іонів хлору. Мембранний потенціал спокою складає -60  – – 80 мВ. На стадії деполяризації концентрація іонів натрію всередині клітини зростає в 500 разів, а потенціал дії складає 25-50 мВ (рис. 4)

Рис. 4. Схематичне зображення виникнення потенціалу дії

Блок 3. Обладнання

Скретч-плівка для упаковки, ножиці, шприц медичний (2 мл), резинка фармацевтична, штатив, 7  хімічних стаканів (50 мл), 6 колб аналітичних (100 мл) із пробками, 6 піпеток, графітові стержні (можна отримати з простого олівця), вимірник напруги, аналого-цифровий перетворювач, ноутбук із відповідним програмним забезпеченням, ваги, натрій карбонат, калій карбонат, кальцій хлорид, натрій хлорид, вода.

Для приготування необхідних розчинів зручно скористатися такою таблицею:

Таблиця 1. Необхідні розчини

Рис.5. Необхідне обладнання

Основні терміни та поняття

збудження Функції нервової системи. Нервова тканина. Функції нейронів

Блок 4. Експериментальна процедура

1. Відріжте частину шприца там, де місце прикріплення голки.
2. На місці зрізу за допомогою резинки герметично прикріпіть невеликий шматочок скретч-плівки.
3. У стакан налийте по 20 мл розчинів, які формують середовище поза клітиною (див. табл. 1).
4. У шприц із плівкою за допомогою піпетки внесіть по 0,5 мл розчинів, що відповідають внутрішньому вмісту клітини.
5. За допомогою лапок штативу помістіть шприц у стакан, але так, щоб рівень води всередині шприца та зовні збігався (див. рис.6).

Рис. 6. Рівень рідини

6. Опустіть графітові стержні в рідину шприца та хімічного стакану (див. рис. 7).

Рис. 7. Розташування графітових електродів

7. Приєднайте прилад для вимірювання напруги та аналого-цифровий перетворювач.

8. Запустіть відповідне програмне забезпечення та зареєструйте зміну напруги з часом.

9. Через 300-400 с вимірювання додайте 0,4383 г NaCl.

10. Зареєструйте зміну напруги.

11. Отримайте графік.

Рис. 8. Потенціал спокою та потенціал дії моделі нервової клітини

Блок 5. Аналіз отриманих даних

Проаналізуйте отриманий графік. З’ясуйте, які фактори середовища впливають на потенціал спокою та дії.

Блок 6. Напрями розвитку

З’ясуйте, як змінюється потенціал спокою та дії при зміні концентрації відповідних іонів. Як наявність інших іонів впливає на потенціал спокою та дії?